CN103840464B - 一种电力机车谐波治理装置和电力机车供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力机车谐波治理装置和电力机车供电系统，其中，谐波治理装置安装在电力机车上，且与电力机车负载的输入端并联，其包括并联的高次谐波滤波电路和低次谐波滤波电路，用于对电力机车供电线网传输来的谐波和/或电力机车负载产生的谐波进行滤波，以消除供电线网对电力机车负载的影响和/或电力机车负载产生的谐波对供电线网的影响。本发明采用车载方式，结构简单、体积小、成本较低，能够有效滤除供电线网向电力机车传输的谐波和电力机车向供电线网传输的谐波，使得同一供电区间的各个电力机车相互之间的干扰减少到最小。

Description

一种电力机车谐波治理装置和电力机车供电系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种电力机车谐波治理装置和电力机车供电系统。

背景技术

随着交流传动技术的成熟和应用，大功率交流传动机车干线运输中已经占据主力地位。交流机车运输能力强、运输效益高，并且采用脉宽调制变流技术，网侧变流器功率因数高。但交流机车的大量使用同时也带来了新的电能质量问题，交流机车谐波频谱分布宽，当牵引网参数满足一定条件时可能将某些次数的谐波放大，甚至发生车网谐振。高次谐波还会对直流电力机车RC回路电阻、车载或变电所的避雷器、车载设备、变电所的交直屏等造成损坏，还可能导致保护装置误动作等，这些问题将严重影响了铁路运输的正常秩序。

国际铁路对交流机车的运用与我国有一些差异，一方面，国际铁路运力需求不是非常紧迫，交流机车的密集度和总体数量均不如我国，且交直流不混用；另一方面在日本等列车密集度很高的区域，但由于采用私有化公司经营，各个公司的供电系统并不共享，实际单一牵引网的机车数量并不太多，因此交流机车在我国显现出来的问题在国外并未凸显。

根据我国的国情，目前正属于直流车向交流车过渡的状态，因此交直流机车混跑是当今乃至后面较长一段时间内必须存在的客观事实，而上述的这些问题目前对机理、应对措施没有指导性意见，已经制约了交流机车扩大运用，同时对目前各路局的行车调度和安全行车带来了巨大挑战。

现有的谐波治理装置多是采用地面谐波治理的方式，其既可起到治理污染的作用，又可达到节能增效的目的。

然而，地面谐波治理装置体积大、容量大、占地面积大，一次性投入成本过高，而且对于目前交直流机车混跑产生的机车间的相互谐波干扰难以起到很好的作用，对直流机车相关器件的烧损难以起到根本性的消除，因此其功能还是有限。

基于上述情况，亟需一种结构简单、方便可用的谐波治理装置，其需要不仅能够对交流机车自身产生的谐波进行治理，还要能够有效治理交直流机车混跑产生的及车间的相互谐波干扰。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种电力机车谐波治理装置，所述装置安装在电力机车上，且与电力机车负载的输入端并联，其包括并联的高次谐波滤波电路和低次谐波滤波电路，用于对电力机车供电线网传输来的谐波和/或电力机车负载产生的谐波进行滤波，以消除所述供电线网对所述电力机车负载的影响和/或所述电力机车负载产生的谐波对所述供电线网的影响。

根据本发明的一个实施例，所述高次谐波滤波电路包括变流器开关频率滤波电路，其用于滤除所述电力机车的变流器开关频率边带阈值范围内的高次谐波。

根据本发明的一个实施例，所述变流器开关频率滤波电路包括若干并联的变流器开关频率滤波支路，所述变流器开关频率滤波支路包括以下任一项或几项：

一阶RC高通滤波器、二阶RLC高通滤波器、三阶RLC高通滤波器。

根据本发明的一个实施例，所述高次谐波滤波电路还包括有源滤波器开关频率滤波电路，所述有源滤波器开关频率滤波电路与所述变流器开关频率滤波电路并联，用于滤除电力机车的有源滤波器开关频率边带阈值范围内的高次谐波。

根据本发明的一个实施例，所述有源滤波器开关频率滤波电路包括若干并联的有源滤波器开关频率滤波支路，所述有源滤波器开关频率滤波支路包括以下任一项或几项：

一阶RC高通滤波器、二阶RLC高通滤波器、三阶RLC高通滤波器。

根据本发明的一个实施例，所述低次谐波滤波电路包括若干低次谐波滤波支路，所述低次谐波滤波支路包括以下所列项中的任一项：

单调谐滤波电路、双调谐滤波电路、可调谐滤波电路。

根据本发明的一个实施例，所述高次谐波滤波电路和低次谐波滤波电路的各个支路均包括开关单元，用于对相应滤波支路进行投切。

根据本发明的一个实施例，所述高次谐波滤波电路和低次谐波滤波电路的各个支路均包括熔断器，用于对各个支路进行过流保护。

本发明还提供了一种电力机车供电系统，所述系统包括：

机车负载；

供电线网，其与所述机车负载连接，用于为所述机车负载提供电源，以驱动所述机车负载运行；

如上所述的谐波治理装置。

不同于常规的地面谐波集中治理的模式，本发明提供的电力机车谐波治理装置为车载方式，这样就可以将谐波治理措施施加到电力机车负载本身之上，进而能够确保在供电线网的一个供电区间内，各电力机车负载能够处理好自身运行产生的谐波，使得同一供电区间的各个电力机车相互之间的干扰减少到最小。

同时，对于一个供电区间，其中可能存在交流机车与直流机车混跑的情况，而采用车载谐波治理模块能够有效滤除交流电力机车负载产生的谐波，使得供电线网中含有的谐波减少，从而降低对直流机车的影响。

对于现有的地面集中治理模式，安装在地面的谐波治理装置因为需要对供电线网的某一供电区间包含的谐波进行治理，所以就要求地面谐波治理装置的容量很大，也就造成了现有地面谐波治理装置的体积过大、一次性投入过高等缺点，而采用车载治理模式则能够大为降低谐波治理装置的容量，节约成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明的一个实施例的电力机车供电系统的结构图；

图2是根据本发明的一个实施例的电力机车供电系统的电路图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

针对现有的地面谐波治理装置的不足，本发明提供了一种车载电力机车谐波治理装置，同时还提供了一种采用该谐波治理装置进行谐波治理的电力机车供电系统，图1示出了本实施例中电力机车供电系统的结构图。

如图1所示，本本实施例中，电力机车供电系统包括供电线网101、电力机车谐波治理装置102和机车负载103。其中，供电线网101与机车负载103连接，用于为机车负载103提供电源，以驱动机车负载103运行。

电力机车谐波治理装置102安装在电力机车上，且与电力机车负载103的输入端并联，用于对电力接车供电线网101传输来的谐波进行滤波，从而消除供电线网101提供的线网电源中含有的谐波对电力机车负载103的影响。同时，电力机车谐波治理装置102还能够对电力机车负载103在运行过程中产生的谐波进行滤波，从而消除电力机车负载103产生的谐波对供电线网101的影响。

供电线网101包含的谐波和电力机车负载103产生的谐波包括高次谐波和低次谐波，其中，高次谐波主要是电力机车变流器运行过程中产生的，同时，如果电力机车供电系统中包含有源滤波器，有源滤波器在运行过程中也会产生高次谐波。

如图1所示，为了更好地进行谐波治理，本实施例中，电力机车谐波治理装置102包括并联的高次谐波滤波电路104和低次谐波滤波电路105。其中，高次谐波滤波电路104包括开关频率滤波电路和有源滤波器开关频率滤波电路，开关频率滤波电路用于滤除电力机车的变流器开关频率边带阈值范围内的高次谐波，有源滤波器开关频率滤波电路用于滤除电力机车的有源滤波器开关频率边带阈值范围内的高次谐波。

图2示出了本实施例中电力机车供电系统的电路图。

如图2所示，本实施例中，电力机车负载103包括车载牵引变压器，车载牵引变压器的原边与供电线网101的受电弓连接，以接收供电线网101提供的电源，车载变压器的有多个副边，其分别与电力机车用电器件连接。

电力机车谐波治理装置102并联在车载牵引变压器的原边两端，当供电线网101向车载牵引变压器供电时，供电线网101提供的线网电源中的谐波通过高次谐波滤波电路104和低次谐波滤波电路105传导到地，从而达到谐波治理的目的。电力机车负载103包含的变流器以及有源滤波器在工作的过程中产生的高次谐波会对供电线网的电源质量产生影响，进而影响线网中其他电力机车的运行，而高次谐波滤波电路能够有效地滤除上述高次谐波。

变流器开关频率滤波电路、有源滤波器开关频率滤波电路和低次谐波滤波电路均可以包含若干滤波支路，其中，各个滤波支路均由接触器、熔断器和滤波器串接构成。滤波支路的数量可以根据滤波电路的要求进行增减，从而达到更好的滤波效果，并节省成本。

接触器用于完成相应滤波支路的投切，当接触器闭合时，该滤波支路导通，对相应的谐波进行滤波，当接触器断开时，该滤波支路被旁路。熔断器用于进行过流保护，当某一支路中的电流过大时，该支路中的熔断器能够自动断开该支路的电源，从而保护该支路中的元件。而根据不同的需求，滤波器可以相应地采用一阶RC高通滤波器、二阶RLC高通滤波器和三阶RLC高通滤波器中的一种或几种，但本发明不限于此，在根据本发明的其他实施例中，高通滤波器还可以采用其他合理的结构形式。

为了更清楚地阐述本发型的目的、原理以及优点，本实施例中，以变流器开关频率滤波电路和有源滤波器开关频率滤波电路均包含一条支路来进行说明。

如图2所示，本实施例中，变流器开关频率滤波电路由接触器K1、熔断器FU1、电阻R1和电容C1串接构成，有源滤波器开关频率滤波电路由接触器K2、熔断器FU1和一个二阶RLC高通滤波器串接构成，其中，二阶RLC高通滤波器由电阻R2与电感L2并联后与电容C2串接构成。

通过选取合理的电容、电容以及电感参数，将R1和C1构成的一阶高通滤波器的最低导通频率设置在电力机车的变流器开关频率边带附近，使得该一阶高通滤波器能够有效地滤除变流器开关频率边带附近的高次谐波，将R2、L2和C2构成的二阶RLC高通滤波器的最低导通频率设置在电力接车有源滤波器开关频率边带附近，使得该二阶RLC高通滤波器能够有效地滤除有源滤波器开关频率边带附近的高次谐波。

对于供电线网中含量较高的低次谐波，采用低次谐波滤波电路来滤除。如图2所示，本实例例中，低次谐波滤波电路由接触器K3、熔断器FU3和一个二阶带通滤波器串接构成，该二阶带通滤波器由电感L3、电阻R3和电容C3串接构成。通过选择合适的电容、电阻以及电感参数，使得该带通滤波器的通带频率在某一低次谐波的频率附近，从而使得该带通滤波器能够对相应频率的低次谐波进行针对性的滤除。

需要说明的是，因为供电线网中的低次谐波可能为多个频率的谐波，为了更好的滤除低次谐波，在根据本发明的其它实施例中，低次谐波滤波电路可以包括单调谐滤波电路、双调谐滤波电路和可调谐滤波电路中的一种或几种，同时各个调谐滤波电路还可以包含多个支路，本发明不限于此。

为了降低与上述滤波电路中的电感、电容谐振产生谐振的概率，本实施例中，上述滤波电路还可以作为滤波绕组，通过接触器的投切来改变电力机车牵引变压器原边侧的阻抗参数，以此来降低谐振概率。

需要说明的是，本发明提供的谐波治理装置优选的用于对电力机车供电系统的谐波进行治理，但该谐波治理装置还可以用于其他电网（例如微电网等），本发明不限于此，无论其应用在何种形式的电网上，其均在本发明的权利保护范围之内。

不同于常规的地面谐波集中治理的模式，本发明提供的电力机车谐波治理装置102为车载方式，这样就可以将谐波治理措施施加到电力机车负载103本身之上，进而能够确保在供电线网的一个供电区间内，各电力机车负载能够处理好自身运行产生的谐波，使得同一供电区间的各个电力机车相互之间的干扰减少到最小。对于一个供电区间，其中可能存在交流机车与直流机车混跑的情况，而采用车载谐波治理模块能够有效滤除交流电力机车负载产生的谐波，使得供电线网中含有的谐波减少，从而降低对直流机车的影响。对于现有的地面集中治理模式，安装在地面的谐波治理装置因为需要对供电线网的某一供电区间包含的谐波进行治理，所以就要求地面谐波治理装置的容量很大，也就造成了现有地面谐波治理装置的体积过大、一次性投入过高等缺点，而采用车载治理模式则能够大为降低谐波治理装置的容量，节约成本。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种电力机车谐波治理装置，其特征在于，所述装置安装在电力机车上，且与电力机车负载的输入端并联，其包括并联的高次谐波滤波电路和低次谐波滤波电路，用于对电力机车供电线网传输来的谐波和设置在所述电力机车上的电力机车负载产生的谐波进行滤波，以消除所述供电线网对所述电力机车负载的影响和所述电力机车负载产生的谐波对所述供电线网的影响。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高次谐波滤波电路包括变流器开关频率滤波电路，其用于滤除所述电力机车的变流器开关频率边带阈值范围内的高次谐波。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述变流器开关频率滤波电路包括若干并联的变流器开关频率滤波支路，所述变流器开关频率滤波支路包括以下任一项或几项：

一阶RC高通滤波器、二阶RLC高通滤波器、三阶RLC高通滤波器。

4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述高次谐波滤波电路还包括有源滤波器开关频率滤波电路，所述有源滤波器开关频率滤波电路与所述变流器开关频率滤波电路并联，用于滤除电力机车的有源滤波器开关频率边带阈值范围内的高次谐波。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述有源滤波器开关频率滤波电路包括若干并联的有源滤波器开关频率滤波支路，所述有源滤波器开关频率滤波支路包括以下任一项或几项：

一阶RC高通滤波器、二阶RLC高通滤波器、三阶RLC高通滤波器。

6.如权利要求3或5所述的装置，其特征在于，所述低次谐波滤波电路包括若干低次谐波滤波支路，所述低次谐波滤波支路包括以下所列项中的任一项：

单调谐滤波电路、双调谐滤波电路、可调谐滤波电路。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述高次谐波滤波电路和低次谐波滤波电路的各个支路均包括开关单元，用于对相应滤波支路进行投切。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述高次谐波滤波电路和低次谐波滤波电路的各个支路均包括熔断器，用于对各个支路进行过流保护。

9.一种电力机车供电系统，其特征在于，所述系统包括：

机车负载；

供电线网，其与所述机车负载连接，用于为所述机车负载提供电源，以驱动所述机车负载运行；

如权利要求1～8任一项所述的谐波治理装置。